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Calibrazione energetica di un rivelatore a silicio per radiologia digitale Novità nel campo dellimaging digitale fasci raggi X a due energie quasi-monocromatici.

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Presentazione sul tema: "Calibrazione energetica di un rivelatore a silicio per radiologia digitale Novità nel campo dellimaging digitale fasci raggi X a due energie quasi-monocromatici."— Transcript della presentazione:

1 Calibrazione energetica di un rivelatore a silicio per radiologia digitale Novità nel campo dellimaging digitale fasci raggi X a due energie quasi-monocromatici rivelatori a silicio (conteggio singolo fotone) mammografia angiografia Sistema di misura ( chip RX-64 ) Calibrazione e analisi dei dati scelta del metodo di analisi calibrazione interna calibrazione con sorgenti misure con fasci raggi X (edge-on, front e relative efficienze) Conclusioni di : Antonella Lorenzato

2 Fasci di raggi X quasi-monocromatici Il cristallo monocromatizza il fascio selezionando lenergia corrispondente ad un certo angolo di Bragg B : 2dsen B = n Sfruttando il secondo ordine ordine di diffrazione fasci a doppia energia Due possibili applicazioni diagnostiche : mammografia e angiografia

3 Mammografia Esame diagnostico per prevenire il carcinoma mammario ed altre eventuali patologie del seno (esame di routine) Problemi con la tecnica tradizionale: Tessuti molto sensibili alle radiazioni Possibilità di duplice errore diagnostico in fase precoce Vantaggi con i fasci a doppia energia: Intorno ai 20 KeV i coefficienti di attenuazione dei diversi tessuti si discostano significativamente (grafico)(grafico) con una sola scansione ( 1 rivelatore) si acquisiscono due immagini : una a 20 KeV evidenzia la patologia, una a 40 KeV evidenzia i tessuti sani; la sottrazione delle 2 immagini darà: più contrasto riduzione del rischio di errore nelle diagnosi possibile riduzione della dose

4 Angiografia Esame diagnostico per lo studio di vasi sanguigni e di organi da essi irrorati (pazienti selezionati) Problemi con la tecnica tradizionale: Esame invasivo alta concentrazione di mezzo di contrasto (iodio) grossi cateteri via arteria femorale Vantaggi con i fasci a doppia energia: Due fasci con energie sopra e sotto il K-edge dello iodio (33.17 KeV) (set up)(set up) acquisizione di due immagini nello stesso tempo ( 2 rivelatori) la sottrazione di immagine rimuove la struttura di fondo mettendo in evidenza solo il segnale dello iodio più contrasto concentrazione di iodio minore uso di cateteri più piccoli (iniezione endovenosa) minore dose

5 Rivelatore a microstrip di silicio striscia di silicio diodo polarizzato inversamente (regione di svuota- mento sensibile al passaggio della radiazione) 128 strips 128 canali di lettura numero di fotoni rivelati localizzazione dei fotoni spessore = 300 m larghezza strip = 100 m lunghezza strip = 10 mm

6 Chip RX-64 architettura binaria per lelettronica di lettura ogni canale fornisce 1 bit di informazione (1/0) conteggio del singolo fotone 2 chip RX canali nel primo prototipo basso rumore possibilità di lavorare a soglie basse fino a 6 KeV frequenza di conteggio 200KHz/canale

7 Canale elettronico di lettura : circuito calibrazione interna (C test = 75 fF( 10%) ) preamplificatore ( p =R fed C fed, guadagno 1/C fed ) circuito formatore ( s =R fedsh C fedsh ) discriminatore contatore circuito calibrazione interna preamplificatore circuito formatore (shaper) discriminatore contatore R fed e R fedsh variabili

8 Scansione di soglia: per ogni valore di soglia il contatore fornisce il numero di segnali con ampiezza maggiore di quella impostata sul discriminatore la soglia di rumore è 80 mV assumendo che il rumore abbia una distribuzione gaussiana, i conteggi integrali sono definiti dalla funzione degli errori derivando i conteggi si ottengono le distribuzioni gaussiane effettuando i fit gaussiani si ricava rispettivamente dal picco e dalla sigma: lampiezza del segnale all ingresso del discriminatore la larghezza della distribuzione del segnale allingresso del discriminatore

9 Software Labview Driver Software NI-DAQ Alimentatori Rivelatore RX-64 Scheda di acquisizione Connettore

10 Calibrazione dellRX-64 : metodo di analisi Il metodo del fit gaussiano : Origin 6.0 (Diff/Smooth = derivata + smoothing) + Fit Gaussian picco = ampiezza del segnale allingresso del discriminatore la deviazione standard = w/2 rumore nel chip fluttuazioni nella produzione coppie e-h dispersione in energia del fascio quasi-monocromatico

11 Il metodo del fit sigmoidale (funzione degli errori) : Origin 6.0 Fit sigmoidal ; questo fit tiene conto degli errori sui conteggi dati dalla statistica di Poisson il valore a metà conteggi rappresenta lampiezza del segnale dx Calibrazione dellRX-64 : metodo di analisi

12 Confronto fra i due fit : la soglia di discriminazione Entrambi i metodi forniscono lo stesso valore a meno di una differenza sempre al di sotto dello 0.5 %. Calibrazione dellRX-64 : metodo di analisi

13 Confronto fra i due fit : conclusioni GaussianoSigmoidale Vantaggi: la deviazione standard ha un significato fisico; Svantaggi: il valore della dipende molto dallo smoothing dei dati. Vantaggi: tiene conto degli errori sui conteggi; non è necessario lo smoothing; Svantaggi: la larghezza dx è legata a, ma numericamente diversa. ampiezza del segnale sigmoidale valutazione del rumore gaussiana Calibrazione dellRX-64 : metodo di analisi

14 Calibrazione interna dellRX impulsi n = valore di Amplitude variato con linterfaccia di Labview ampiezza impulso = ( n) mV numero di elettroni iniettati = Q n /e = (C test V)n/e 439 n la larghezze delle gaussiane è indipendente dal segnale in ingresso determinate solo dal rumore allingresso del discriminatore

15 Calibrazione interna dellRX-64 la media per tutti i valori di calibrazione risulta : = 3.86 DAC 1 DAC = 2.47 mV lRMS di rumore è pari a 9.53 mV Estrazione dellRMS di rumore :

16 Calibrazione interna dellRX-64 Soglia di discriminazione : la zona di linearità arriva fino ai 6000 elettroni 22 KeV (valutata studiando il termine di secondo ordine del fit parabolico) fit lineare sui primi 5 punti (per tutti i 128 canali) coefficiente angolare = guadagno del discriminatore intercetta = offset del discriminatore

17 Calibrazione interna dellRX-64 Guadagno del discriminatore: Offset del discriminatore: Coefficiente angolare = DAC/el Guadagno = V/el sapendo che lRMS di rumore è 9.53 mV si ricava il rumore di carica equivalente: ENC 147 elettroni Per poter applicare la stessa soglia a tutti i canali è importante che la larghezza della distribuzione delloffset sia piccola. RMS offset = 3.58 mV << RMS rumore è un valore molto buono.

18 Calibrazione dellRX-64 con sorgenti La precisione con cui si conosce la capacità interna di calibrazione è del 10 %. è necessaria questulteriore calibrazione con sorgenti di fluorescenza. Materiali bersaglio: rame (K = 8.04 KeV) rubidio (K = KeV) molibdeno (K = KeV) argento (K = KeV) bario (K = KeV) terbio (K = KeV)

19 Calibrazione dellRX-64 con sorgenti K : influenza lo smoothing e il fit gaussiano rame, rubidio,molibdeno : K e K non distinguibili G non affidabile argento : entrambi i picchi sono ben visibili G affidabile bario : poca statistica + è al di fuori della zona lineare del chip escluso dai fit

20 Calibrazione dellRX-64 con sorgenti La larghezza della gaussiana: G = 5.39 DAC mV rumore di carica equivalente : ENC 211 elettroni > ENC cal-interna (147) fluttuazioni elettrone-lacuna + diversa tensione di polarizzazione del rivelatore

21 Guadagno: Calibrazione dellRX-64 con sorgenti Coefficiente angolare = 6.98 DAC G S = mV/KeV sapendo che occorrono 3.62 eV per creare una coppia e-h nel silicio G S = V/el G cal.interna (64.37 V/el) buona corrispondenza dei dati

22 Confronto tra le due calibrazioni

23 Misure con il rivelatore in posizione edge-on e front Edge-on : fascio//strip, 1 cm silicio attivo Front : fascio strip, 300 m silicio attivo conteggi edge > conteggi front nel range KeV

24 Confronto tra le soglie di discriminazione Nellintervallo di linearità ricavato in precedenza (tra 8 e 22 KeV) i differenti set di dati sono in perfetto accordo il fascio quasi-monocromatico ottenuto col cristallo è ben calibrato

25 Confronto tra le sigma Sorgenti > Calibrazione per fluttuazioni portatori di carica + I F più grande Raggi-X > Sorgenti per la dispersione energetica del fascio (comunque piccola rispetto al rumore del sistema) calibrazione: detector polarizzato a 20V edge, front e sorgenti: 60V diversa corrente di fuga I F nel rivelatore

26 Efficienza di edge e front

27 Spessori in gioco : Configurazione edge: 765 m silicio passivo (bordo) + 1 cm silicio attivo Configurazione front: 70 m alluminio (rivestimento) m silicio attivo I calcoli teorici considerano solo la probabilità di effetto fotoelettrico nella zona attiva. Corrispondenza dei dati sperimentali con quelli teorici : La discrepanza oltre i 26 KeV è dovuta allinfluenza delleffetto Compton trascurato nei calcoli?

28 Conclusioni : La calibrazione del sistema di rivelazione basato su 2 chip RX-64 basato su un detector a silicio costituito da 128 microstrip ha fornito i seguenti risultati: è stato individuato un intervallo di linearità di risposta del sistema compreso fra i 6 e i 22 KeV dalla calibrazione interna e con sorgenti si sono estratti i valori di : Guadagno = V/el Soglia di discriminazione = 80 mV 4.64 KeV RMS di rumore = 9.53 mV, ENC 147 elettroni RMS offset = 3.58 mV << RMS rumore dalle misurazioni con rivelatore in posizione edge e front lenergia del fascio quasi-monocromatico ottenuto col cristallo è in accordo con il set di dati ricavati con le sorgenti (monocromatiche) la dispersione energetica è piccola in confronto al rumore del sistema la configurazione edge è più efficiente nel range diagnostico

29 Conclusioni : Test angiografico con lRX-64 Fantoccio Immagine a 31 KeV Immagine a 35 KeV Differenza


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